半导体物理学复习资料

半导体物理学
第1章 半导体中的电子状态
❖ 重要概念—— 金刚石结构；能带；有效质量；空穴；本征半导体；
❖ 重要知识点—— ✓ 化合物半导体的晶体结构； ✓ 晶体中能带的形成；半导体的能带结构特征； ✓ 本征半导体的导电机构； ✓ 导带底、价带顶电子的有效质量；空穴的有效质量。
mn* 2
d 2E dk 2
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半导体中同时存在施主杂质ND和受主杂 质NA时，施主和受主之间有相互抵消的 作用，称为杂质的补偿作用。
杂质的补偿作用
1）ND N A ：有效杂质 2）ND N A ：有效杂质 3）ND : N A : 高度补偿
Si
Si
P+
Si
Si
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三、浅能级杂质
价电子脱离杂质原子成为自由电子的过程称为杂质电离，所需要的能
量称为杂质电离能
E
。
D
EC ED
EV
通常在室温下，杂质可以完全电离,电子浓度等于杂质浓度。 把主要依靠导带电子导电的半导体称为n型半导体。
k
1 2
h2k 2 mn*
v
hk mn
f ma
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E(k) 1 h2k 2 2 m0
hk v
m0
f m0a
有效质量
➢ 引入有效质量这一概念的意义在于： 有效质量概括了晶体内部势场对电子的作用，使得在解 决晶体或半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可 以不涉及到内部势场对电子的作用，而直接按照牛顿第 二定律由外力求出电子的加速度。
E
A BC D
0 - 2 a
-3 2a
-1 - 1 a 2a
1
1
3
2
2a a 2a a
k
允带
禁带
允带 禁带 允带
(a) E(k)~k关系
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(b) 能带
1 mn
1 h2
d 2E dk 2
半导体中的电子
自由电子
有效质量
E
➢缺陷 缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，在禁带中产生能级； 缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用。
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第3章 半导体中载流子的统计分布
❖ 重要概念—— 状态密度；费米能级；费米（玻尔兹曼）分布；本征半导 体；（非）简并半导体；
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2.浅受主杂质
三、浅能级杂质
硼原子替代Si原子，硼在晶体中接受一个电子而产生导电空穴，为受主杂质
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
B-
Si
Si
在室温下，受主杂质完全电离，则空穴浓度等于受主杂质浓度。 把主要依靠空穴导电的半导体称为P型半导体。
本征半导体的导电机构:
导带中有多少电子，价带中就有多少空穴； 导带上的电子参与导电，价带上的空穴也参与导电。
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第2章 半导体中杂质和缺陷能级
❖ 重要概念—— 施主、受主杂质(能级)；杂质电离；浅(深)能级杂质；杂 质补偿。
❖ 重要知识点—— ✓ 施主、受主杂质（能级）类型的判断； ✓ n（p）型半导体的判断； ✓ 浅能级、深能级杂质对半导体性质的影响； ✓ 杂质补偿的意义。
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杂质的类型
第一种、按对载流子的贡献：
①施主杂质——为半导体材料提供导电电子的杂质 ②受主杂质——对半导体材料提供导电空穴的杂质
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晶体中能带的形成
相距很远时，相互作用忽略不计 原子逐渐靠近，外层轨道发生电子的共有化运动——能级分裂
+
+
N=3
➢当原子聚集形成晶体时，不能改变量子态的总数； ➢没有两个电子具有相同的量子数。
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晶体中能带的形成
N个原子逐渐靠近，最外层电子首先发生共有化运动， 每一个能级分裂成N个相距很近的能级， 形成一个准连续的能带。
N=3 +
N=2 N=1
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原子间距逐渐减小
允带
禁带 允带 禁带 允带
半导体中电子的状态和能带
ND NA NA ND
ห้องสมุดไป่ตู้
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深能级杂质
III,V族以外的其它元素杂质掺入Si，Ge中都产生深能级
特点： ➢ 深能级杂质能多次电离，即产生多个能级； ➢ 有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级；
➢不容易电离，对半导体中的导电电子浓度，导电空穴 浓度和材料的导电类型的影响较弱； ➢对载流子的复合作用的影响较大。
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本征半导体的导电机构、空穴
把价带中空着的状态看成是带正电的粒子，称为空穴
空穴的性质：
1.带有正电荷(+q)，其电量等于电子电量； 2.其速度等于该状态上电子的速度、方向相反； 3.价带中的空穴数恒等于价带中的空状态数； 4.空穴能量增加的方向与电子能量增加的方向相反； 5.空穴具有正的有效质量。
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➢浅能级杂质——为半导体材料提供导电载流子， 影响半导体的导电类型。
Si，Ge：施主掺杂剂V族元素；受主参杂剂：III族元素 GaAs：施主掺杂剂II族元素；受主参杂剂：VI族元素
小结
➢深能级杂质——具有很强的复合作用
第二种、按能级的深浅：
①浅能级杂质 ②深能级杂质
第三种、按分布位置：
①替位式杂质 ②间隙式杂质
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1.浅施主杂质
浅能级杂质
P原子代替Si原子后，为半导体提供了一个自由电子，称为施主杂质或 n型杂质。
Si
Si
Si
Si
Si